JPS6112389B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は広い温度範囲にわたつて特性変動の少
ない、高性能で信頼性の高いトランジスタに関す
るものである。

従来、誘導性負荷を持つスイツチング回路に使
用されるパワートランジスタにおいては、コレク
タ・エミツタ間の逆耐圧（Ｖ_CEO）を向上させ、
かつコレクタ・エミツタ間の遮断電流（Ｉ_CEO）
を減少させる目的からエミツタ・ベース間に抵抗
（Ｒ_EB）を接続したものがよく使用される。

第１図はその等価回路を示し、同図ａはデイス
クリートの場合であり、同図ｂは最近自動車の電
子式イグナイタ等によく使用されるダーリントン
接続トランジスタの場合である。この抵抗（Ｒ_E
Ｂ）の接続法としては、抵抗体チツプまたは抵抗
素子を従来の一般のトランジスタのチツプの外で
接続する方法、すなわち外付けする方法と、第２
図に示すようにベース領域の半導体抵抗を利用し
てモノリシツクにトランジスタチツプ内部に組込
む方式とがある。

前者の外付け法によつて抵抗体（Ｒ_EB）を接続
する方法においては、回路を構成する部品数が増
加し、半田付け等の接続点が増加し、したがつて
コスト的にみても信頼度的にみても、後者のモノ
リシツクに組込む方式に対し劣ることは言うまで
もない。

しかるに本発明は後者のモノリシツクに組込む
方式を対象とするものであり、以下に第２図に示
されたような従来のモノリシツク方式およびその
欠点について述べる。

第２図において１はトランジスタのコレクタと
して動作するＮ形半導体より成る領域であり、こ
の場合Ｎ形シリコン基体によつて構成される。２
ベースとして動作するＰ形半導体から成る領域、
３はエミツタとして動作するＮ形半導体からなる
領域である。また４は接合を保護する目的にて形
成された絶縁性の保護膜であり、５はベース電
極、６はベース２の一部と接続されたエミツタ電
極であり、７はコレクタ電極である。第２図に示
す構造を有するトランジスタは図中に示すごとく
ベース領域の一部分を抵抗（Ｒ_EB）として使用す
るものであり、第１図ａに示したものと同等の回
路構成となる。

このような構成のトランジスタにおいては抵抗
として使用される領域がトランジスタのベース領
域であるため、Ｐ形不純物濃度が比較的高く、ト
ランジスタが通常使用される温度範囲（−40〜＋
125℃）においては温度係数が正となる。

一方第１図ａに示された抵抗（Ｒ_EB）の接続さ
れたトランジスタの電流増幅率（ｈ_FE）は、 ｈ_FE＝Ｉ_Ｃ／Ｉ_Ｂ＝β（１−Ｖ_ＥＢ／Ｒ_ＥＢＩ_Ｂ）
…… （ここで（β）は（Ｒ_EB）が接続されない
場合のトランジスタの電流増幅率、（Ｖ_E
Ｂ）はエミツタ・ベース間の電圧、（Ｉ_C）
はコレクタ電流、Ｉ_Bベース電流である。） となる。

式より明らかなように抵抗（Ｒ_EB）の抵抗値
が減少すれば（ｈ_FE）は低下し、増加すれば（ｈ
_FE）も増加する。しかもトランジスタの（β）自
身も温度依存性をもつており、それは通常使用す
る温度範囲においては正である。したがつて（ｈ
_FE）の温度変化は上記抵抗（Ｒ_EB）および（β）
両方の温度変化により増大する。

例えば第２図に構造を有するトランジスタをダ
ーリントン形に、かつモノリシツクに接続したも
のにおいては＋25℃の（ｈ_FE）に対して−50℃の
（ｈ_FE）が−50％に低下するものもある。

前述したようにこの種のトランジスタは電子式
イグナイタ等の自動車用電装品を主用途として使
用される場合が多く、このため環境条件として周
囲温度−40℃〜＋110℃は考慮する必要がある。
そのため上記した従来の方式では（ｈ_FE）の大き
な変化を考慮した回路設計が必要となり、特に低
温動作を保証することが必要となるためコスト高
につながる。

また低温動作を保証するためには、回路と同様
常温時に必要な特性に対して余裕を持つた設計が
必要となり、この点からもコスト高となる。例え
ば低温時400の（ｈ_FE）が必要な場合の設計は常
温時800以上の（ｈ_FE）が必要となり、他の｛Ｖ_C
ＥＯ）、破壊耐量等の特性を十分満足させるために
チツプサイズを大きくする必要がある。

また高温時の（Ｒ_EB）の増加、（ｈ_FE）の増加
は素子の信頼性上好ましくない。

さらにまた（ｈ_FE）の増加方向と抵抗（Ｒ_EB）
の増加方向が素子作成上のばらつきに対し同一で
あるために、（ｈ_FE）のばらつきは（Ｒ_EB）が組
込まれていないものに比較して大きいという欠点
もある。

本発明は以上に示したような従来の（Ｒ_EB）の
接続方法、その構造における欠点を除去したトラ
ンジスタを提供するものである。

以下本発明の一実施例を第３図を用いて説明す
る。第２図に示す従来のトランジスタとの相異は
３で示されるＮ形エミツタと同じ導電形でかつそ
の不純物濃度がエミツタより低い第４の領域８を
付加し、その一端（片側）がエミツタに接し、か
つ他端が領域２の露出表面の電極被着部分に位置
するように上記領域８を領域２上に延在させるこ
とにある。

このような本発明においては、領域８がエミツ
タ・ベース間に接続される抵抗（Ｒ_EB）として動
作し、等価的に第１図ａの回路がモノリシツクに
形成される。このような構成において最も重要な
点は領域８の不純物濃度である。すなわちこの領
域８の抵抗体としての温度係数が負になるように
その不純物濃度を設定することである。第４図は
不純物ドープ量のちがう二種のシリコン半導体に
ついて、その比抵抗値の温度変化を示すものであ
り、第４図に示す通り25℃にて比抵抗ρが１Ωcm
程度のもの（実線）は−50〜＋125℃の温度範囲
で温度係数が正であり、比抵抗ρが25℃にて100
Ωcm程度のものは（点線）は同じ温度範囲におい
て負の温度係数を有している。本発明の特徴はこ
の負の温度係数を有するシリコン半導体で形成さ
れる抵抗をエミツタ、ベース、コレクタ領域が形
成されている同一半導体基体内に形成し、エミツ
タ・ベース間の負の抵抗として動作せしめること
にある。

次に本発明の構造を有するトランジスタの動作
について説明する。前述したように本発明の装置
は、負の温度係数を有する抵抗体をエミツタ・ベ
ース間に接続することを特徴としているため、電
流増幅率の温度変化は従来のものに比較して充分
改善される。例えば抵抗体（Ｒ_EB）がない場合の
トランジスタの常温での電流増幅率を（β_１）と
し、特定のある温度における値を（β_２）とす
る。同様に常温における抵抗体（Ｒ_EB）の抵抗値
を（Ｒ_EB1）、同じく（Ｖ_BE）を（Ｖ_BE1）と定
め、特定のある温度におけるそれらを（Ｒ_EB2）、
（Ｖ_BE2）と定めると、抵抗が接続された場合の常
温における電流増幅率（ｈ_FE1）とある特定温度
における値（ｈ_FE2）との比は式より ｈ_ＦＥ２／ｈ_ＦＥ１＝Ｒ_ＥＢ１β_２（Ｒ_ＥＢ２Ｉ_Ｂ
−Ｖ_ＥＢ２）／Ｒ_ＥＢ２β_１（Ｒ_ＥＢ１Ｉ_Ｂ−Ｖ_ＥＢ１
）…… （ここで抵抗の比をＲ_ＥＢ２／Ｒ_ＥＢ１＝ａ、 電流増幅率の比をβ_２／β_１＝ｂ、 エミツタ・ベース間の電圧の比をＶ_ＥＢ２／Ｖ_ＥＢ１＝ Ｃ とすると、） ｈ_ＦＥ２／ｈ_ＦＥ１＝ｂ（ａＲ_ＥＢ１Ｉ_Ｂ−ＣＶ_Ｅ
Ｂ１／ａＲ_ＥＢ１Ｉ_Ｂ−ａＶ_ＥＢ１）…… となる。

ここで従来のベース領域（平均的比抵抗１Ω
cm）を使用して抵抗を組込んだ場合と、本発明の
新規の領域８（平均的比抵抗100Ωcm）を抵抗と
して組込んだ場合とについて、その効果を比較説
明する。まず常温での特性は（Ｒ_EB1）は共に50
Ωcm、（β）も共に50（Ｉ_B＝0.1A）、（Ｖ_EB）も
共に1Vのものであり、常温から−50℃に下げた
時の（β）の温度特性ｂは共に0.8、（Ｖ_EB）の温
度特性ｃもともに1.1のものである。

そしてこの場合の抵抗（Ｒ_EB）の常温から−50
℃に下げたときの（Ｒ_EB）の温度特性は従来の場
合では（ａ）が0.7となり、本発明では（ａ）が
2.0となる。

すなわち、(1) 従来の構造の場合（Ｉ_B＝0.1A
一定）には、 ｈ_ＦＥ（−５０℃）／ｈ_ＦＥ（２５℃）＝0.69…
となり、(2)本発明の構造の場合（Ｉ_B＝0.1A一
定）には、 ｈ_ＦＥ（−５０℃）／ｈ_ＦＥ（２５℃）＝0.89…
となる。第５図は−50℃〜125℃の範囲における
（ｈ_FE）の変化を従来および本発明について示す
ものであり、本発明の効果がきわめて大きいこと
を示している。さらにまた本発明に加え、上記
（β）の温度特性を改善すれば、（ｈ_FE）の温度変
化が無視できる程度の素子も可能である。

次に本発明のトランジスタを得るための一製造
方法を第６図ないし第８図を用いて説明する。ま
ず第６図に示すように通常の拡散技術、写真製版
技術等により、エミツタ拡散まで終了したシリコ
ン半導体ウエハ（表面は全面に酸化膜にて覆われ
ている）を用意し、次いで第７図に示すように領
域８を形成するために、酸化膜を写真製版技術に
より一部除去し、エミツタと同じ導電形の不純物
を拡散し、それと同時に新らたな酸化膜を形成す
る。その後第８図に示すように電極被着表面およ
びベース表面の酸化膜を残し、領域８とすべき表
面部分の酸化膜のみを写真製版技術にて除去し、
その後さらに領域８となる部分の表面の比較的濃
度の高い部分をエツチングし、高比抵抗領域を形
成する。次いで先に示した第３図のように、全面
に絶縁膜より成る保護膜４を形成し、所定の位置
の電極被着用のコンタクト面となるべく絶縁膜４
を写真製版技術により取り除き、その後従来の方
式にて電極５，６，７を形成する。

このようにして本発明のトランジスタは従来周
知の半導体加工技術を用いて容易に製造すること
ができ、広い温度範囲にわたつて特性変動の少な
い高性能で信頼性の高いトランジスタを提供する
ことができる。また本発明においては、エミツ
タ・ベース接合の全周囲にわたつて形成すること
が可能であるため、パターン内の電流分布が均一
になり、その他抵抗体の表面の保護膜により覆う
ため、信頼度的にも優れている。

以上本発明をNPNトランジスタを例にとり説
明したきたが、PNPトランジスタでも同様に適用
でき、またダーリントン接続形トランジスタのよ
うな複合素子に対しても同様に実施することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となるトランジスタの等
価回路図、第２図は第１図の等価回路を有する従
来のトランジスタの断面図、第３図は本発明のト
ランジスタの一実施例の断面図、第４図は本発明
の効果を説明するためのトランジスタの比抵抗と
温度との相関を示す曲線図、第５図は従来のトラ
ンジスタと本発明のトランジスタの特性を比較す
るための曲線図、第６図、第７図、第８図は本発
明のトランジスタを製造する場合の各工程におけ
る半導体を示す断面図である。 １……コレクタとして動作するＮ形半導体より
成る領域、２……ベースとして動作するＰ形半導
体より成る領域、３……エミツタとして動作する
Ｎ形半導体より成る領域、４……絶縁性の保護
膜、５……ベース電極、６……エミツタ電極、７
……コレクタ電極、８……N^-形抵抗領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１導電形の半導体から成り、コレクタとし
   て動作する第１領域と、第２導電形の半導体から
   成り、かつ上記第１領域に接して、ベースとして
   動作する第２領域と、第１導電形の半導体から成
   り、かつ上記第２領域の露出表面の一部にそれと
   接し、かつエミツタとして動作する第３領域とを
   具備するトランジスタにおいて、上記第１導電形
   でかつその不純物濃度が上記第３の不純物濃度よ
   りも低く抵抗体としての温度計数が負になるよう
   な濃度である第４領域を上記露出表面部におい
   て、その一端が上記第３領域に接し、かつその他
   端が上記第２領域表面に延在するように形成し、
   上記第１領域にコレクタ電極を、第２領域および
   第４領域の他端にベース電極を、さらに上記第３
   領域にエミツタ電極をそれぞれ形成して成ること
   を特徴とするトランジスタ。 ２ 第４領域の一端が第３領域の全周に接し、か
   つ他端の全周が、ベース電極に接して成ることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のトランジ
   スタ。